JP6848802B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関する。
汎用インバータを始めとする各種パワーエレクトロニクス機器に使用される半導体装置、例えばＩＧＢＴモジュールには高い信頼性が求められている。また、動作温度が高く、効率に優れている点で今後の主流となる可能性の高いＳｉＣ半導体装置に適用できるパッケージ形態であることも同時に求められている。そこで、ケース内部の半導体チップと配線を絶縁封止する樹脂として、信頼性を向上させる目的でダイレクトポッティング封止樹脂の適用が進んでいる。
ダイレクトポッティング封止樹脂はエポキシ樹脂にシリカなどのフィラーを分散させた液状樹脂を、ケース内部に注入したのちに加熱硬化させる封止樹脂であり、トランスファモールドのような金型が不要である。従来の半導体装置では、高温動作時の半導体チップの発熱により、外気に露出した樹脂上面の温度が高くなっていた。これに対し、半導体チップを封止するエポキシ樹脂の上方に蓋を設け、樹脂の上面から露出したリードフレームに外気を当てて冷却する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１０−２１９４１９号公報
しかし、樹脂の上面から露出したリードフレームが高温となるため、装置上面の温度上昇を十分に抑制することはできなかった。装置上面からの輻射熱により、装置の上方に配置された制御基板に搭載された電子部品の耐久性への影響が懸念されていた。近年、モジュールの更なる高温動作が求められており、この問題が深刻になってきた。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は装置上面の温度上昇を十分に抑制することができる半導体装置を得るものである。
本発明に係る半導体装置は、ベース板と、前記ベース板の上に実装された半導体チップと、前記ベース板の上において前記半導体チップを囲むケースと、前記半導体チップに接続された電極端子と、前記ケースの内部において前記半導体チップを封止する封止材と、前記封止材の上方において前記ケースに固定された蓋とを備え、前記電極端子は前記封止材の上面に露出しておらず、前記封止材の前記上面と前記蓋の下面との間に空隙が設けられ、前記封止材の前記上面の一部と前記蓋の下面の一部が接着剤により直接的に接着されていることを特徴とする。
本発明では、電極端子が封止材の上面に露出しておらず、封止材の上面と蓋の下面との間に空隙が設けられている。これにより、装置上面の温度上昇を十分に抑制することができる。
実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。 実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。 図３のスナップフィット構造を拡大した断面図である。 実施の形態４に係る半導体装置を示す断面図である。 実施の形態５に係る半導体装置を示す断面図である。 実施の形態６に係る半導体装置を示す断面図である。 図７の突起を拡大した断面図である。 実施の形態７に係る半導体装置を示す断面図である。 実施の形態８に係る半導体装置を示す断面図である。 実施の形態９に係る半導体装置を示す断面図である。
本発明の実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。ベース板１は、順に積層された銅ベース板１ａ、樹脂絶縁層１ｂ及び回路パターン１ｃが一体成形された樹脂絶縁銅ベース板である。
ベース板１の上に半導体チップ２，３が実装されている。ケース４がベース板１の上において半導体チップ２，３を囲んでいる。半導体チップ２の上面電極がアルミワイヤ５を介して回路パターン１ｃに接続されている。ケース４に設けられた電極端子６がアルミワイヤ７を介して半導体チップ３に接続されている。
ケース４の内部において封止材８がダイレクトポッティングされ、ベース板１の上面、半導体チップ２，３、アルミワイヤ５，７、及び電極端子６の一部を覆っている。封止材８は熱伝導率０．５Ｗ／（ｍＫ）以上を有する熱硬化性エポキシ樹脂である。エポキシ樹脂は樹脂絶縁銅ベース板との密着性が高いため、温度が変化しても両者の界面に剥離が発生し難い。
封止材８の上方においてケース４に絶縁材からなる蓋９が勘合固定又は圧接などにより固定されている。電極端子６は封止材８の上面に露出していない。外部に露出した蓋９の上面が装置上面となる。封止材８の上面と蓋９の下面との間に空隙１０が設けられている。なお、図示は省略するが、半導体チップ２，３を制御する制御基板が蓋９の上方に配置される。
本実施の形態では、電極端子６が封止材８の上面に露出しておらず、封止材８の上面と蓋９の下面との間に空隙１０が設けられている。これにより、装置上面の温度上昇を十分に抑制することができる。従って、半導体装置上部に取り付ける制御基板への輻射熱の影響を低減することができる。
樹脂絶縁銅ベース板は絶縁材として樹脂を使用しているため、セラミック基板と比較して熱伝導率が悪い。従って、ベース板１が樹脂絶縁銅ベース板の場合には装置下部への熱が伝わり難い。また、エポキシ樹脂は、シリコンゲルと比較して熱伝導率が高い。従って、封止材８がエポキシ樹脂である場合には装置上面に熱が伝わり易い。よって、これらの場合には装置上面が高温となり易いため、本実施の形態の構成が特に有効である。
蓋９は例えばポリフェニレンサルファイド樹脂（PPS: Poly Phenylene Sulfide Resin）である。これにより、ガスバリア性と耐薬品性が向上する。また、蓋９は金属板であるか又は絶縁材の内側に金属板を設けたものでもよい。これにより、金属の熱遮蔽効果によって装置上面の温度上昇を更に抑制することができる。
実施の形態２．
図２は、実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。ケース４の内側面に蓋９を固定する段１１が設けられている。これにより、蓋９の沈み込みを防止して、半導体装置の寸法精度が向上する。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。なお、蓋９の固定に接着剤又はねじを使用してもよい。
実施の形態３．
図３は、実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。図４は、図３のスナップフィット構造を拡大した断面図である。ケース４の内側面に、蓋９を上からはめ込んで勘合固定するスナップフィット構造１２が設けられている。これにより、半導体装置の組立加工が容易となる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。
実施の形態４．
図５は、実施の形態４に係る半導体装置を示す断面図である。蓋９の下面に複数の凸部１３が設けられ、凸部１３の下面が封止材８の上面に接している。この凸部１３により封止材８からの蓋９の高さを揃えることができるため、半導体装置の寸法精度が向上する。また、封止材８の硬化時に蓋９の凸部１３を封止材８に接着することで組立加工が容易となる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。なお、接着剤を用いて凸部１３を封止材８に接着してもよい。
実施の形態５．
図６は、実施の形態５に係る半導体装置を示す断面図である。凸部１３は蓋９の外周部にのみ設けられている。これにより、位置決めが容易となり、組立性が向上する。その他の構成及び効果は実施の形態４と同様である。
実施の形態６．
図７は、実施の形態６に係る半導体装置を示す断面図である。図８は、図７の突起を拡大した断面図である。ケース４の内側面に突起１４が設けられている。蓋９は突起１４との圧接によりケース４に固定されている。これにより、蓋９をケース４に強固に固定することができる。また、蓋９の浮きを防止することができる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。
実施の形態７．
図９は、実施の形態７に係る半導体装置を示す断面図である。蓋９は接着剤１５によりケース４に固定されている。これにより、蓋９をケース４に強固に固定することができる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。
実施の形態８．
図１０は、実施の形態８に係る半導体装置を示す断面図である。蓋９の下面にベース板１の上面まで延びる柱１６が設けられている。柱１６の材料は蓋９と同じである。これにより、ベース板１からの蓋９の高さが固定され、蓋９の沈み込みを防止できるため、半導体装置の寸法精度が向上する。また、封止材８の硬化時に蓋９を封止材８に接着することで組立が容易となる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。
実施の形態９．
図１１は、実施の形態９に係る半導体装置を示す断面図である。封止材８の上面と蓋９の下面との間に接着剤１７が設けられている。これにより、空隙１０を確保しつつ蓋９を強固に固定することができる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。
なお、半導体チップ２，３は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体チップ２，３は高温で動作するため、本実施の形態の構成が特に有効である。また、ワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体チップは、耐電圧性と許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された半導体チップを用いることで、この半導体チップを組み込んだ半導体装置も小型化・高集積化できる。また、半導体チップの耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体装置を更に小型化できる。また、半導体チップの電力損失が低く高効率であるため、半導体装置を高効率化できる。
１ ベース板、１ａ 銅ベース板、１ｂ 樹脂絶縁層、１ｃ 回路パターン、２，３ 半導体チップ、４ ケース、５，７ アルミワイヤ、６ 電極端子、８ 封止材、９ 蓋、１０ 空隙、１１ 段、１２ スナップフィット構造、１３ 凸部、１４ 突起、１５，１７ 接着剤、１６ 柱

Claims (5)

  1. ベース板と、
    前記ベース板の上に実装された半導体チップと、
    前記ベース板の上において前記半導体チップを囲むケースと、
    前記半導体チップに接続された電極端子と、
    前記ケースの内部において前記ベース板の上面、前記半導体チップ、及び前記電極端子の一部を覆う封止材と、
    前記封止材の上方において前記ケースに固定された蓋とを備え、
    前記電極端子は前記封止材の上面に露出しておらず、
    前記封止材の前記上面と前記蓋の下面との間に空隙が設けられ、
    前記封止材の前記上面の一部と前記蓋の下面の一部が接着剤により直接的に接着されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記ベース板は、順に積層された銅ベース板、樹脂絶縁層及び回路パターンが一体成形された樹脂絶縁銅ベース板であり、
    前記封止材はエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記蓋はポリフェニレンサルファイド樹脂であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 前記蓋は金属板を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  5. 前記半導体チップはワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体装置。
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